DE2404298A1

DE2404298A1 - Probennahmevorrichtung fuer dynamoelektrische maschine

Info

Publication number: DE2404298A1
Application number: DE2404298A
Authority: DE
Inventors: Sterling Cheney Barton; Chester Carroll Carson; Frederico Sergio Echeverria
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-02-26
Filing date: 1974-01-30
Publication date: 1974-08-29
Also published as: US3807218A; DE2404298B2; GB1444315A; JPS5024712A; JPS5410081B2

Description

Dr. rer. nat. Horst Schüler PATENTANWALT

₁₉₇,

Vo./ma.

6 Frankfurt/Main Niddasfraße 52 Telefon (0611) 237220 Postscheck-Konto: 282420 Frankfurt/M. Bank-Konto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

2618-I7 MY - 2200

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road Schenectady, N. Y. / USA

Probennahmevorrichtung für dynamoelektrische Maschine

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf gasgekühlte dynamoelektrische Maschinen und insbesondere auf eine Prüf- bzw. Probennahmevorrichtung zum Sammeln xdentifxzxerbarer Pyrolyseprodukte, die während einer lokalisierten überhitzung abgegeben werden und die dann analysiert werden können,, um die Stelle der lokalisierten überhitzung festzustellen.

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Eine lokalisierte überhitzung in Statorkernen großer dynamoelektrischer Maschinen ist selten; ein durch Überhitzung beschädigter Kern kann jedoch zu einem weitreichenden Maschinenausfall und kostspieligen Reparaturen führen. Einer der Wege, auf dem eine überhitzung auftreten kann, ist die Beschädigung der Oberfläche eines Statorzahnes, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen Lamellen bzw. Blechen auftreten kann, der zu einem elektrischen Stromfluß und zu Widerstandserhitzung führen kann, wenn eine Maschine belastet ist. Eine lokalisierte überhitzung dieser Art kann genügend Wärme entwickeln, um de.n die Kernlamellen bildenden Siliziumstahl zu schmelzen. Es ist deshalb wünschenswert, ein System zu schaffen, um eine lokalisierte überhitzung in einer dynamoelektrischen Maschine in einem frühen Stadium festzustellen und die Stelle der überhitzung zu identifizieren.

In der ÜS-PS 3 427 880 ist ein überhitzungs-Detektorsystem für eine dynamoelektrische Maschine beschrieben. Ein Ionenkammerdetektor, wie er in der US-PS 3 573 460 beschrieben ist, wird dazu verwendet, Submikron-Partikelchen festzustellen, die von verschiedenen organischen Materialien in das Kühlmittelgas der dynamoelektrischen Maschine abgegeben werden, wenn gewisse Maschinenteile, die mit den organischen Materialien überzogen sind, überhitzt werden. Diese Submikron-Partikelchen, die durch sich thermisch zersetzende organische Materialien aufgrund einer lokalisierten Überhitzung abgegeben werden, sind als Pyrolyseprodukte bekannt. Pyrolyseprodukte von jeder oranischen Materialart besitzen identifizierbare Charakteristiken, die durch massenspektrometrische oder gaschromatographische Analysetechniken bestimmbar sind. Die vorstehend erwähnte ÜS-PS 3 427 880 bezieht sich auf die Peststellung der Gegenwart von Pyrolyseprodukten in dem Kühlmittelgas, wogegen es darüber hinaus wünschenswert ist, die Quelle der Pyrolyseprodukte zu lokalisieren, die in das Kühlmittelgas der dynamoelektrischen Maschine eingeführt sind.

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In der US-PS 3 428 838 wird ein "Wear Detector for Fluid-Cooled Electric Machine" vorgeschlagen. Demzufolge werden relativ große Isolationspartikelchen, die mechanisch (wie durch Vibration) in einer dynamoelektrischen Maschine erzeugt werden, in einem strömenden Kühlmittel mitgerissen und außerhalb der Maschine auf einem Meir-branfilter eingefangen. Das Filter wird periodisch auf Abnutzungsteilchen untersucht. Die vorliegende Erfindung ist auf die Feststellung einer lokalisierten überhitzung und der Sammlung von Submikron-Partikelchen aufgrund thermischer Dekompositionen gerichtet.

In einer gasgekühlten dynamoelektrischen Maschine können verschiedene Teile der dynamoelektrischen Maschine verschiedene organische Materialien enthalten oder mit diesen überzogen sein, wie beispielsweise Isolationen und Polymerharzen. Wenn innerhalb der dynamo^elektrisehen Maschine eine lokalisierte überhitzung auftritt» dann zersetzen sich einige dieser organischen Materialien, um Pyrolyseprodukte oder Submikron-Produkte abzugeben, die in das Kühlmittelgas eintreten. Das Kühlmittelgas wird kontinuierlich durch einen Ionenkammerdetektor überwacht, der einen Alarm auslöst, wenn diese Submikron-Pyrolvseprodukte in dem gasförmigen Kühlmittel festgestellt werden. Anschließend wird ein Teil dieses gasförmigen Kühlmittels über eine Prüfvorrichtung abgeleitet, die ein absorbierendes Material enthält, das die Pyrolyseprodukte aus dem Kühlmittelgas absorbiert. Die Prüfvorrichtung wird anschließend herausgenommen, so daß eine massenspektrometrische oder gaschromatographische Analyse auf der erhaltenen Probe durchgeführt werden kann. Auf diese Weise wird die Quelle der Pyrolyseprodukte festgestellt und somit die Lage bzw. Stelle des Hitzefleckens allgemein ermittelt.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in einer dynamoelektrischen Maschine eine Einrichtung zum Feststellen der Gegenwart von Submikron-Pyrolyseprodukten in dem Kühlmittelgas der Maschine in Verbindung mit einer Vorrichtung zu schaffen,

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die axe Quelle der Pyrolyseprodukte allgemein identifiziert.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der vorliegenden Beschreibung und der Zeichnung verschie dener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 ist eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht von einer dynamoelektrischen Maschine, die eine daran befestigte Einrichtung aufweist, um eine Probe des gasförmigen Kühlmittels gemäß der vorliegenden Erfindung zu entnehmen.

Figur 2 ist eine Schnittansicht einer Rohrleitung und zeigt ein Ausführungsbeispiel der Prüf- bzw. Probenvorrichtung gemäß der Erfindung und eine Art, in der diese auf eine dynamoelektrische Maschine und eine Detektoreinrichtung angewendet werden kann.

Figur 3 ist eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht und zeigt das Ausführungsbeispiel einer Prüf- bzw. Probenvorrichtung, die aus dem Rohrabschnitt herausgenommen ist.

Figur 4 zeigt eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht von einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Prüf- bzw. Probenvorrichtung gemäß der Erfindung.

In Figur 1 ist eine dynamoelektrische Maschine 11 gezeigt, die beispielsweise ein Turbinengenerator sein kann und einen Rotor 13 und einen Statorkern 15 aufweist, die in einem gasdichten Gehäuse 17 gehaltert sind. Der Statorkern ist aus Blechen

zw. Lamellen 19 aufgebaut, die durch Kühlkanäle 21 getrennt sind. Die Lamellen sind mit Nuten versehen, um nicht gezeigte Statorwicklungen zu tragen, und an jedem Ende des Statorkerns sind diese Statorwicklungen umgebogen, um wieder in den Statorkern einzutreten. Diese umkehrenden Abschnitte sind als Wickelköpfe 23 bekannt. Ein gasförmiges Kühlmittel, wie beispielsweise Wasserstoff, wird um die dynamoelektrische Maschine herumgeleitet und durch die Kühlkanäle 21 in den Statorkern hinein

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und über Wärmetauscher 25, von denen nur einer gezeigt ist. Diese Umwälzung des Kühlmittelgases erfolgt durch einen auf dem Rotoi montierten Lüfter 27, von dem ebenfalls nur ein Blatt gezeigt ist. Darüber hinaus ist es üblich, die Statorkernwicklungen dadurch weiter zu kühlen, daß ein flüssiges Kühlmittel durch die Statorwicklungen geleitet wird. Es ist bekanntlich seit langem üb-lich, die Statorkernlamellen, Wickelköpfe usw. mit verschiedenen organischen Materialien zu überziehen, wie beispielsweise Epoxy- und Polymerharzen und Isoliermaterialien.-Diese organischen Materialien emittieren bei Erhitzung Submikron-Partikelchen als Pyrolyseprodukte, die sowohl feststellbar als auch identifizierbar sind, wie es im folgenden noch näher erläutert wird.

Ein Teil des gasförmigen Kühlmittels wird von der Hochdruckseite der Maschine durch eine Abzugsleitung J>1 abgezogen, in der ein Sperrventil 33 vorgesehen ist. Das Kühlgas wird dann in die Niederdruckseite des Maschinengehäuses durch eine Rückleitung mit einem Schließventil 37 zurückgeleitet. Somit wird durch Druckunterschiede innerhalb des Maschinengehäuses eine Gasströmung aus und in die Maschine hervorgerufen. Zwischen die Abzugsleitung und die Rückleitung wird ein Ionenkammerdetektor ICD geschaltet, um das Vorhandensein von Submikron-Pyrolysepartikelchen abzutasten, die von dem Kühlmittel mitgetragen werden. Ein Filter F kann verwendet werden, um die Gültigkeit ' eines Detektoralarms,:durch Betätigung des Dreiwegeventils 41 selektiv zu ermitteln. Der Detektor ist elektrisch mit einem Verstärker A und einem Aufzeichnungsgerät R verbunden. Der insoweit beschriebene Aufbau der Einrichtung ist in der US-PS 3 427 880 mit weiteren Einzelheiten beschrieben.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ist eine Probenschleife 3 in einer ähnlichen Weise mit den Verbindungen für den Ionenkammerdetektor in b.ezug auf die dynamoelektrische Maschine verbunden, wobei Abzugs- und Rückleitventile 42 bzw. 44 vorgesehen sind. Diese Ventile sind normalerweise bei allen Be-

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triebsvorgängen geöffnet, außer wenn eine Proben- bzw. Prüfvorrichtung S zur Analyse aus der Schleife herausgenommen wird. ijie. Ventile können manuell betätigt werden. Die Probenvorrichtung S ist in der Probenschleife schematisch dargestellt und wird im folgenden noch näher beschrieben. Unmittelbar stromaufwärts und stromabwärts von der Probennahmevorrichtung S befinden sich Probentrennventile 45 bzw. .47. Die Ventile 45 und 47 werden dazu verwendet, die Probennahmevorrichtung gegenüber Verunreinigungen abzusperren, bis ein Ionenkammerdetektoralarm gegeben wird. Diese Ventile können ebenfalls manuell betätigt werden, vorzugsweise werden sie jedoch, wie es gezeigt ist, durch den Ionenkammerdetektor über den Verstärker betätigt, der bei einem Alarmsignal bewirkt, daß sich die normalerweise geschlossenen Ventile öffnen. Somit können die Ventile 45 und 47 Magnetventile sein.

Die Figuren 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Probennahme- bzw. Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung. Figur 2 zeigt im einzelnen einen Teil der Schleife 43, der unmittelbar hinter dem stromaufwärts gelegenen Ventil 45 und unmittelbar vor dem stromabwärts gelegenen Ventil 47 herausgenommen ist. Eine Probenbzw. Prüfvorrichtung, die in Figur 1 schematisch und nun in Figur 2 im einzelnen gezeigt ist, ist innerhalb' eines Rohrabschnittes 51 angeordnet, der in einer Lippe 53 an seinem geschlossenen Ende endet und an seinem offenen Ende ein Innengewinde 55 aufweist; Am offenen Ende des Rohrabschnittes wird ein herausnehmbarer Gewindestopfen 57 eingesetzt, um die Proben- bzw. Prüfvorrichtung festzuhalten.

Figur 3 zeigt das eine Ausführungsbeispiel der Proben- bzw. Prüfvorrichtung, die einen porösen Drahtnetzzylinder 61 mit einer darin ausgebildeten Drahtnetz-Plattform 63 aufweist. Eine Hülse bzw. Buchse 65 ist in dem Zylinder angebracht und auf der Plattform getragen, in der ein absorbierendes Material 67 angeordnet ist. Das absorbierende Material kann beispielsweise Silizium-

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dioxidgel sein. Die Hauptforderung an die Proben- bzw. Prüfvorrichtung besteht darin, daß sie in der Lage sein muß, Pyrolyseprodukte von dem Kühlmittelgas zu trennen.

Figur ¹J zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Probennahme- bzw. Prüfvorrichtung,' die einen am Ende offenen Behälter 71 aufweist, in dem eine Anzahl Leitbleche 73 angeordnet sind. Jede Fläche 75 von jedem Leitblech ist mit einem absorbierenden Medium viie beispielsweise Siliziumdioxidgel überzogen, das in Pulverform vorliegen kann. Der Vorteil dieser Vorrichtung liegt in der Größe der freiliegenden Oberfläche des Siliziumdioxidgels relativ zum Gesamtvolumen des verwendeten Siliziumdioxidgels, was zu einer Probennahme höherer Konzentration führt. Die Leitbleche können porös oder nicht-porös sein, solange ein Strömungspfad durch das Filter hindurch ausgebildet ist.

Wenn eine Maschine nach einem gültigen Alarmsignal geöffnet wird, dann sollte die überhitzte Fläche als ein verkohlter Bereich sichtbar sein; es würde jedoch sehr wünschenswert sein zu wissen, welches Material thermisch versetzt ist_s um ein überhitzungssignal zu erzeugen, ohne die dynamoelektrische Maschine zu öffnen. Ein derartiges Wissen, das die Stelle der lokalisierten überhitzung angibt, könnte ein Öffnen der Maschine vermeiden oder wenigstens im voraus angeben, welche Korrektur erforderlich ist, um dadurch die Zeit zu verkürzen, während der die Maschine stillsteht.

Es stehen allgemein Techniken zum Identifizieren von Pyrolyseprodukten zur Verfügung, wozu die massenspektrometrische Analyse und die gaschromatographische Analyse gehören. Pyrolyseprodukte in der Form von Submikron-Produkten werden auf dem Siliziumdioxidgel absorbiert, das in der Proben- bzw. Prüfvorrichtung enthalten ist. Die Probenvorrichtung kann dann aus der Maschine herausgenommen werden, und das erhitzte Siliziumdioxidgel gibt die Pyrolyseprodukte in der Form von Gasen und

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Dämpfen ab, die dann durch ein oder beide angegebene Verfahren analysiert werden können. Der Zweck der Analyse ist nicht strikt qualitativ, da das Interesse nicht so sehr darauf gerichtet ist, was über 'hitzt ist, sondern wo die überhitzung auftritt. Da jedes erhitzte organische Material "Fingerabdrücke" in der Form von massenspektrometrischen oder gaschromatographischen Spitzen abgibt, ist es lediglich erforderlich, die Testinformation mit einem Standard-Blaudruck der Maschine zu vergleichen. Als eine Begleiterscheinung werden jedoch im allgemeinen die identifizierten Spitzen den Namen des Überhitzungsmaterials liefern .

Ih der folgenden Tabelle I sind die Analyseergebnisse von verschiedenen organischen Materialien, die auf Siliziumdioxidgel gesammelt sind, und eine Meßreihe durch massenspektroir.etrische und gaschromatographische Techniken zusammengefaßt :

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Tabelle I

überhitzuncsansprechtemperaturen und massenspektrometrische und gaschromatograpHsche Analysen

von Pyrolyseprodukten

O CO OO CaJ

Pro-,

ben- Beschreibung Nr.

alarmaus- Massen-spitzen

Temperatur von 50° C auf ο C 350° C

Gaschromatographische Spitzen

Probe erhitzt auf 500° C

Zeit Min.

Spitzenhöhe

Phenollack

Epoxyglasverpreßte Zusammensetzung

3 . Epoxyglas-Blatt-Zusammensetzung

260

240

215

Glimmerglaslamelie

190

43, 57, 58 97, 168

94, 107, 121 122, 135, 136

77, 78, 91 103,104, 117 118

43, 57, 58 97, 168

2,4 2,5 2,9 3,7 5,5 5,7

35

30 22

50 33

30

1000° C

Spitzenhöhe

100

640

304

80

76

20

500 880

82 80

25 400 120

47

VC I

CO CX)

Pro-

_N Beschreibung

alarmauslösende Temperatur ο C

Massenspitzen

Probe erhitzt von 50° C auf 3500 c

Gas ehromat ographis ehe Spitzen

Probe erhitzt auf 500° C

Zeit
Min.

Spitzenhöhe

1000° C

Spitzenhöhe

O CD OO CaJ

Silikongummi

Polymethylmethacrylat

180 16O

50, 76, 104 ' 2,4

105, 147 2,7

39, 41, 69 2,4 85, 100

30 18

10

83 100

10

- li -

Einige iuassenspektrometrische Ergebnisse sind für verschiedene Materialien ähnlich, wie beispielsweise für die Proben 1 und 4. Aus diesem Grunde kann die gaschromatographische Analyse vorzuziehen sein. Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß die meisten gaschromatographischen Spitzenwerte betont sind und deshalb zu dem Schluß führen, daß diese Analyse für die Zersetzungsprodukte von einem Material oder überzug, der sich thermisch zersetzt, den Bereich bzw. die Fläche angeben kann, wo die lokalisierte überhitzung auftritt.

Die Durchführung der Erfindung ist wie folgt. Verschiedene Teile der dynamoelektrischen Maschinen können selektiv enthalten oder überzogen sein mit organischen Materialien, die sich thermisch zersetzen, wenn eine lokalisierte überhitzung auftritt. Die thermische Dekomposition des organischen Materials bewirkt, daß Submikron-Partikelchen oder Pyrolyseprodukte in das gasförmige Kühlmittel emittiert werden. Das gasförmige Kühlmittel wird von einem Hochdruckbereich der dynamoelektrischen Maschine abgezapft. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden zwei Hochdruckabzapfungen vorgenommen, d. h. eine für den Ionenkammerdetektor und eine für die Probenschleife. Selbstverständlich können jedoch auch andere Anordnungen vorgenommen werden, die nur eine Hochdruckabzapfurig verwenden, wobei die Probennahmevorrichtung selektiv in der Leitung des Ionenkammerdetektors verwendet wird. Darüber hinaus kann mehr als eine Probenvorrichtung als ein Reserveteil oder alternative Probenleitung enthalten sein. Pyrolyseprodukte in der Form von Submikron-Partikelcheri bewirken einen Alarm in der Ionendetektorkammer. Daraufhin werden die Sperrventile unmittelbar stromaufwärts und stromabwärts von der Probennanmevorrichtung geöffnet und es wird eine Probe entnommen. Der Probenentnehmer kann manuell oder durch ein elektrisches Signal in gezeigter Weise betätigt werden. Die Ausführung des Alarmsignales kann durch öffnen des Dreiwegeventiles ¹M herbeigeführt und die gesamte Gasströmung gefiltert und ein normales Signal auf dem Ionenkammer detektor herbeigeführt werden. Die Probenentnahme kann

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auf ein Alarmsignal hin erfolgen oder sie kann periodisch zur Maschinenprüfung durchgeführt werden.

In der Probennahmeschleife 43 bleiben die Ventile 42 und 44
offen, bis der Probenentnehmer S für die Analyse herausgenommen wird. Zu dieser Zeit und bis ein neuer Probenentnehmer eingesetzt ist₃ bleiben die Ventile geschlossen. Die Absperrventile 45 und 47 sind normalerweise geschlossen, außer wenn eine Probennahme erfolgt· Das redundante Ventilsystem (42, 44) ist ein Sicherheitsmerkmal, das darauf gerichtet ist, den Austritt von gasförmigem Kühlmittel aus der Maschine zu verhindern, falls eines der Magnetventile versagen sollte, wenn die Probennahmevorrichtung aus der Maschine herausgenommen ist. Die Ventile 45 und 47 schützen die Siliziumdioxidgelfüllung vor Verunreinigung.

Die Proben- und Prüfvorrichtung kann in der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Form oder in der in Figur 4 gezeigten Form vorliegen. Nachdem eine ausreichende Probe in der Probennahmeschleife entnommen worden ist, wird die Probenvorrichtung für Analysezwecke herausgenommen. Die massenspektrometrische oder gaschromatographische Analyse wird dann Spitzen zeigen, die
mit den Standardspitzen des Blaudrucks der dynamoelektrischen Maschine verglichen werden, wodurch der Bereich bzw. die Fläche der lokalisierten überhitzung angezeigt wird.

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Claims

- 13 Ansprüche

Dynamoelektrische Maschine mit einem Ionenkammerdetektor zum Abtasten der Gegenwart von durch thermische Dekomposition hervorgerufenen Submikron-Produkten, die aufgrund lokalisierter überhitzung in Teilen der dynamoelektrischen Maschine in ein gasförmiges Kühlmittel abgegeben ' sind, und mit einer Einrichtung zum Sammeln der thermischen Dekompositionspartikelchen -zur Analyse bei einem Signal von dem Ionenkammerdetektor, gekennzeichnet durch eine Leitung (43), die wenigstens einen Teil des gasförmigen Kühlmittels führt, eine Probennahmevorrichtung (S) in der Leitung (43) zum Trennen der thermischen Dekompositionspartikelchen von dem gasförmigen Kühlmittel, ein· normalerweise geschlossenes erstes Ventil (45) auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Probennahmevorrichtung und ein normalerweise geschlossenes zweites Ventil (47) auf der stromabwärts gelegenen Seite der Probennahmevorrichtung, so daß die ersten und zweiten Ventile (45, 47) bei, einem Signal von dem Ionenkammerdetektor (ICD) zur Probennahme geöffnet werden können.

Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Probennahmevorrichtung (S) einen Behälter (51; 7D niit einem löchrigen Strömungspfad und ein absorbierendes Material (67) in dem Strömungspfad im Behälter aufweist.

3· Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das absorbierende. Material Siliziumoxidgel ist.

4. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge ken.η zeichnet, daß ein Leitungsabschnitt (51) vorgesehen ist, der im Winkel von der Leitung (43) ausgeht und ein freies Gewindeende und einen an seinem entgegenge-

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setzten Ende ausgebildeten Lippenabschnitt (53) aufweist, wobei die Probennahmevorrichtung (S) herausnehmbar in den Leitungsabschnitt eingesetzt ist und die· Leitung an dem Lippenabschnitt (53) anstößt, und ein Gewindestopfen (57) in das Gewindeende des Leitungsabschnittes eingesetzt ist.

5. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Probenvorrichtung (S) einen porösen Zylinder (6l) mit einer porösen Plattform (63), die zwischen den Enden des Zylinders ausgebildet ist, und eine nicht-poröse Buchse (65) aufweist, die auf der'porösen Plattform (63) gehalten ist und in der das absorbierende Material (67) enthalten ist, so daß das gasförmige Kühlmittel auf seinem Strom durch den porösen Zylinder gezwungenermaßen durch die nicht-poröse Hülse und das absorbierende Material strömt.

6. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch i-, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenvorrichtung einen nicht-porösen, am Ende offenen Behälter (71) mit einem hindurchführenden Strömungspfad und zahlreiche Leitbleche (73) in dem Behälter aufweist, die jeweils einen Überzug mit absorbierender Oberfläche aufweisen.

7. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jedes · Ventil bei eir nem elektrischen Signal von dem Ionenkammerdetektor (ICD) automatisch geöffnet wird.

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